基于可靠性分析的抽水蓄能電站優化調度策略研究

劉 平，潘 嶠，常玉紅，辛 楊，林文峰，楊 恒，姜宗波，吳 勝，鄧雙學

(1.黑麋峰抽水蓄能有限公司，長沙 410203；2.國網新源控股有限公司，北京 100032；3.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410014)

0 前 言

作為目前經濟、清潔的大規模儲能方式，抽水蓄能電站啟停靈活、反應迅速，具有調峰填谷、調頻、調相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能，是確保電網安全、穩定、經濟運行的重要保障。抽水蓄能電站以調峰填谷為基本運行方式，日運行一般為“一抽兩發”的方式，有時會出現“兩抽三發”的頻繁運行方式，這對緩和電力供需矛盾取得了積極的效果。但是如此頻繁的啟停對電站機組設備的要求非常苛刻；同時，大型抽水蓄能電站由于單機容量較大，在運行過程中若出現故障跳機，會對系統造成較大的沖擊。隨著抽水蓄能的快速發展，各地區抽水蓄能電站數量的增加，優化抽水蓄能電站調度策略，合理調度各抽水蓄能電站，科學安排對抽水蓄能電站設備的維護及檢修，對于提高抽水蓄能電站可靠性，減少機組跳機次數，保障機組可靠穩定運行，提高系統運行綜合效益具有重要意義。

本文以國網新源控股有限公司已運營抽水蓄能電站為研究對象，從運行可靠性角度研究頻繁運行對抽水蓄能電站設備可靠性的影響，分析抽水蓄能電站頻繁運行對電站各主要設備的利弊，同時提出針對抽水蓄能機組高強度運行情況下運維及檢修措施建議，旨在協助各區域抽水蓄能電站制定更加合理的運行方式和控制運行強度，提高抽水蓄能電站全廠設備運行的可靠性。

1 抽水蓄能電站可靠性指標

抽水蓄能電站中的主要設備為發電設備，這些設備大多數是可修復設備，根據其在發電系統中的地位、作用及功能不同，其可靠性的指標和方法各不相同。DL/T 793.1-2017《發電設備可靠性評價規程》所規定的發電設備及主要輔助設備的評價指標共有27項,其統計及評價范圍適用于我國境內的所有發電企業發電能力的可靠性評估。

在這些評價指標中，最為常用的可靠性指標為設備的等效可用系數，常見于可靠性理論研究中的“檢修率ρ”即是等效可用系數的一種代數轉換后的結果，它們之間有如下關系：

(1)

式中：EAF為等效可用時間與統計時間的比值。對于一般設備而言，在設備保持同樣的運行方式長久運行時，設備的檢修率與時間關系服從失效率曲線(“浴盆曲線”)。早期失效期內，設備檢修率逐步降低；偶然失效期內，設備檢修率保持在一個較低且平穩的水平上；耗損失效區內，設備檢修率逐步升高。

2 主要設備可靠性模型建立與分析

在定性分析國內數個抽水蓄能電站的運行數據后，得出了2個初步結論：① 國內運行中的抽水蓄能電站的機組設備的可靠性絕大多數處于早期失效期和偶然失效期中，設備可靠性在近幾年內保持增長或平穩趨勢；② 運行強度升高會使得設備的可靠性降低。

在分析了國內數個抽水蓄能電站的可靠性數據后，結合實際情況，選擇使用機組的啟動失敗率r作為可靠性評價指標標準。選取黑麋峰電站和天荒坪電站的數據建立模型并進行對比，模型函數曲線以及散點圖如圖1所示。

圖1 模型函數對比圖

通過對上述2座電站進行建模分析后發現，2座電站具有相似的可靠性增長模式，機組可靠性均處于失效性曲線的早期失效期和偶然失效期中，機組啟動的失敗率呈現出如圖1中曲線所示的下降趨勢，并在運行5 a后趨于平穩并保持在較低水平。

對比2座電站的模型函數可以發現，雖然2座電站的可靠性均處于增長狀態，但是整體上天荒坪電站機組的啟動失敗率相對于同期的黑麋峰電站更高。造成這種差異性的因素有很多，其中就包括了運行方式、運行強度、設計水平、設備質量及安裝水平等。對于這兩個電站而言，具有最大差別的因素是運行強度，天荒坪電站運行強度最高的年份中，單臺機組平均運行時間3 107 h，啟動次數772次；天荒坪電站運行強度最高年份的單臺機組平均運行時間為5 182 h，啟動次數1 380次，分別為黑麋峰電站的1.67倍和1.79倍。這一數據對比無疑可以成為電站運行強度的升高(啟停次數增多、運行時長增加)會使得機組可靠性下降的結論提供佐證。

3 機組運行狀態分析

以黑麋峰為例，采集了抽水蓄能電站在發電工況及抽水工況下機組啟停過程中各部件振動擺度曲線，通過統計曲線中數據發現，無論是在發電工況還是在抽水工況，機組在啟停過程中各部件振擺值達到峰值，尤其是水導在啟停過程達到穩定運行時的8～10倍，頂蓋在啟停過程達到穩定運行時的14～25倍。由此可見，機組在啟停過程中各部件承受了較穩定運行時數倍的應力，機組中頂蓋螺栓、各部件連接螺栓、密封件等部件面臨很大的挑戰。并且在重點分析抽水蓄能電站機組在發電工況下帶不同負荷時振動擺度情況時，發現抽水蓄能機組低負荷運行時各部件振動明顯加強，當機組負荷在180 MW以上時振擺合格，其中負荷在220～270 MW之間時，振擺情況良好，機組滿負荷運行時振擺略有小幅度上升。因此，機組頻繁啟停及低負荷發電勢必會對加快各部件的疲勞損傷，勢必會對機組的壽命造成影響，不利于電站的安全穩定運行。

無論是通過設備實際運行情況統計，還是通過相關理論計算，抽水蓄能電站機組頻繁啟停的特性將縮短電站設備的使用壽命，對電站的安全穩定運行造成負面影響。

4 機組使用壽命分析

目前廠家進行機組使用壽命分析時，對于新建電站通常建立轉輪模型進行有限元分析得到。如某主機廠公司對某抽水蓄能電站轉輪進行疲勞計算，計算結果如圖2所示。

圖2 轉輪關鍵區域總損壞系數圖

圖3 裂紋發展速率曲線圖

由圖2可以看出針對2個不同部位，均是在水泵啟停-動態過程和水輪機啟停-動態過程這2種啟停過程工況下，局部損傷值最大。因此，結果顯示高頻率的啟停次數以及相應的高應力幅值決定了機組啟停循環工況對疲勞損壞值的影響最大。

而對于已建電站的轉輪進行使用壽命分析時，通常采用轉輪裂紋擴展速率法現場實測作用力后，進行建模計算從而判斷機組使用壽命。由于作用在缺陷部位上的變應力σ對疲勞裂紋擴展影響很大，所以在壽命診斷過程中確定作用在缺陷部位上的作用應力是工作重點。研究表明，裂紋擴展速率即dA/dN與應力比△K(最大應力/最小應力)呈現的大致的關系如圖3所示。從圖上可知，當應力比小于某一臨界值，裂紋發展速率僅跟使用年限、材料本身特性等相關，發展速率較慢；當應力比大于某一值后，裂紋發展速率呈現正比遞增，機組壽命加快減少；當應力比持續增大導致疲勞裂紋擴展到材料固有的斷裂韌性值時，將發生脆性斷裂，機組壽命終止。

機組的使用壽命與作用應力的大小有很大關系，通過降低作用應力可以延長機組使用壽命。同時在正常工況下，機組啟停過程中作用在轉輪上的應力最大。因此，降低啟停次數可以有效的降低作用應力。抽水蓄能電站機組較常規電站相比啟停次數明顯多，因作用應力導致機組使用壽命減少的速率將比常規電站快。

知名機組制造廠家關于抽水蓄能機組使用壽命提出一個經驗公式，即機組的使用壽命=機組運行時長+機組啟停次數×10。黑麋峰、天荒坪、十三陵3座電站的年平均運行時長在1 500～2 600 h之間，年平均啟停次數在404～657次之間。按照機組使用壽命經驗公式計算，黑麋峰和十三陵在該運行強度下機組壽命在40 a或40 a以上，天荒坪因其較高的運行強度導致機組壽命為37 a。若3座電站持續在其歷史最高運行強度下運行，機組使用壽命只有26 ～30 a。因此，從機組使用壽命來看，黑麋峰及十三陵的平均運行強度較為合理。

5 優化調度策略

為提高抽水蓄能電站設備運行的可靠性和電站安全性，確保電網的安全運行，抽水蓄能電站的調度運行應在充分滿足電網現有調度需求下進行優化，對此可以提出3個方面的建議：

(1) 合理制定機組運行時長

為達到機組設計壽命提高電站整體可靠性，抽水蓄能電站機組年運行時長可參考黑麋峰和十三陵電站的年平均運行強度水平制定，考慮到黑麋峰電站投產前幾年機組運行強度較低，沒有很好的發揮抽水蓄能電站的綜合效益，所以可按十三陵電站的單機年平均運行強度水平考慮，即2 000 h左右。同時，考慮到各區域電網需求不同及電站本身特性不同，單機年運行時長推薦在1 800～2 200 h范圍之間。

(2) 合理設置機組啟停次數

根據國內抽水蓄能電站啟停次數統計，日啟停次數大致在2～5次范圍內。同時，機組年運行時長推薦值為1 800～2 200 h之間。為使機組達到設計使用壽命，年啟停次數應小于696次，如果按照全年最小運行天數為245 d(機組A修考慮4個月)，最大運行天數為365d，則日啟停次數合理范圍在2～3次范圍內。

由于機組的啟停次數與電網日負荷曲線的特性相關，每個區域電網因電源類型、負荷類型不同，負荷曲線相差較大，因此機組的啟停次數不能一概而論。但電網調度可考慮通過適當延長單機運行時長，達到減少機組日啟停次數的目的。

(3) 盡量避免高振動區運行

對于水泵水輪機，應盡量避免運行在高振動區和不穩定區。抽水蓄能機組在低負荷運行時振動擺度均較為劇烈，不利于機組的安全穩定運行，勢必會對機組的壽命造成影響，電站運行應最大限度減少在低負荷工況下運行。因此，建議抽水蓄能電站旋轉備用不宜留有較多的裕量，機組應運行在較高負荷水平，從國內電站的運行情況來看，建議電網調度不宜低于70%的單機容量，最優運行于80%以上單機容量。

6 結 語

通過對抽水蓄能電站機組可靠性建模分析和機組運行狀態分析后，論證了機組運行強度與機組設備可靠性之間的關系，結合機組使用壽命分析與各大抽水蓄能電站的實際運行情況，從合理制定機組運行時長、合理設置機組啟停次數、盡量避免高振區運行3個方面提出了優化調度策略。